多孔碳材料的合成及其储能应用的研究

作     者：邱超超 

作者单位：山东科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭梅;张国新

授予年度：2019年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：锂硫电池 铝硫电池 多孔碳材料 氮元素掺杂 

摘      要：随着科技的进步和经济的发展,新能源技术已广泛应用到我们生活的方方面面,例如便携式电子产品,电动交通工具,大规模智能电网。其供能系统主要采用锂离子电池,但是其容量已满足不了当前越来越高的需求,开发新型的电化学储能技术势在必行。二次硫电池相比于锂离子电池具有更高的安全性,更高的比容量,更低的价格及环境友好等优点,受到了广泛的关注,被认为是有前景的二次储能系统之一。然而,在实际开发过程中,二次硫电池存在许多挑战。首先,正极活性物质硫具有较差的导电性;其次,充放电过程中产生的多硫化物造成体积膨胀,导致活性物质脱落;再次,多硫化物易溶解于电解液中,吸附在负极表面,导致其容量的快速衰减,因此高比容量二次硫电池的商业化发展受到了极大地限制。本论文针对上述问题,制备了具有优秀性能的多孔碳作为活性物质硫的载体,其具有较大的比表面积（1498 m2 g-1）,导电性好,制备简单,无污染等优点,与单质硫复合作为二次硫电池正极材料可以提高正极的导电性,多孔性有效缓解充放电过程中的体积膨胀,一定量的氮元素掺杂可以有效抑制“穿梭效应,提高二次硫电池的循环稳定性。因此,本论文将以多孔碳作为硫的载体,并研究其在锂硫电池与铝硫电池中的作用,进一步分析电化学性能及反应机理。主要内容如下:（1）利用非传统碳源——卤化高分子（如聚偏二氟乙烯PVDF;聚偏二氯乙烯PVDC）,经过脱卤反应,在室温下即可得到高质量的碳纳米材料,脱除官能团后的碳源具有高反应活性,不但可以高效的C-C偶联（即成碳反应）制备具有一定石墨化程度的碳材料,还可以在其他非金属掺杂剂存在的情况下（如三聚氰胺）,完成C对于有机元素（如N）的偶联。（2）以PVDF作为碳化的前驱体,在氨基钠的作用下通过脱卤反应合成多级孔碳材料,并通过熔融扩散法与硫复合制备HPC@S复合材料,并用其制作锂硫电池。材料中丰富的微孔结构可使硫的负载量高达71.51%;材料良好的导电性为锂离子和电子提供了传输通道,加快锂硫电池的电化学反应。对不同碳化温度合成的材料进行电化学测试,其中700℃下碳化的材料表现出最好的性能。在0.1 C的电流密度首圈容量保持在1157mAhg-1,循环500圈后容量依然可以保持在423 mAh g-1。（3）以PVDC作为碳化的前驱体,在氧化锌的作用下通过脱卤反应合成介孔碳材料,同上制备MPDC@S复合材料,用其设计一种比容量高达374 mAh g-1,放电平台1.5-1.8 V,可循环500圈以上的新型铝硫电池。